CN110673523B - 一种平衡三进制与索引算法结合的约瑟夫森结阵驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于SNS型约瑟夫森结阵的驱动方法，属于计量领域。根据SNS型约瑟夫森结阵的驱动原理以及结阵分段的特殊性，介绍以平衡三进制与索引算法相结合的驱动算法。首先，将对应的电压值转换成所需的结阵数；其次，根据约瑟夫森结阵的分段特点，使用平衡三进制算法高效并快速地将所需结阵数转换成偏置状态，将有序的偏置状态组合成偏置状态矩阵。再次，当发生捕获磁通的现象时，平衡三进制算法不再适用，索引算法可以替代平衡三进制驱动算法，在捕获磁通的状态下依旧的得到有效的计算结果。最后，输出所需的偏置状态矩阵。

Description

一种平衡三进制与索引算法结合的约瑟夫森结阵驱动方法
技术领域
本发明属于计量领域，具体涉及一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法。
背景技术
可编程约瑟夫森(PJVS)交流量子电压的合成是通过软件编程的方式，采用模数变换输出偏置电流，控制不同约瑟夫森结阵的偏置状态，实现随时间变化的量子电压台阶。目前，国际上PJVS结阵的驱动方法以二进制分段驱动为主，PJVS结阵为一系列二进制排列的约瑟夫森结阵的分段组合构成，即各段结阵的单结数量按1,2,4,8......排列。新型SNS型2V结阵共分20段：2916、108、36、972、12、4、324、8742、8744、8744、8744、8744、8742、324、4、12、972、36、108、2916，共61204个结。该型结阵分段采用非二进制方式，且每段结所含结的个数都是偶数，对前7段或者后7段结由小到大排序并除以4后，可以得到一个三进制的序列，传统二进制分段的驱动方法已经无法计算输出PJVS结阵的偏置状态组合方式；同时，PJVS结阵在工作过程中，可能受到外部的干扰信号的影响，造成结阵捕获磁通现象，失去超导量子台阶，此时基于三进制的算法同样不适用。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有方法中存在的难题，通过研究结阵的驱动原理以及结阵分段的特点，提供一种平衡三进制与索引算法相结合的可编程约瑟夫森结阵驱动方法，从而能够随时间有序地输出DAC控制结阵的偏置状态，实现交流量子电压的精确合成。在捕获磁通的状态下，需要在计算时关闭失去超导特性的结阵分段时，通过索引算法可以输出偏置状态，作为平衡三进制驱动算法的补充。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，包括：
步骤1，初始化偏置状态矩阵B1、B2，初始化两路正弦波信号，分别为信号1和信号2，设置台阶数、微波频率与信号参数。
步骤2，采用N个台阶数对两路正弦波信号进行离散，将每个离散点的电压值转换成所需结阵数输入至向量n1(i)、n2(i)。
步骤3，判断是否发生捕获磁通现象，若未发生捕获磁通现象则进入步骤4，否则，进入步骤5。
步骤4，采用平衡三进制算法计算量子电压序列对应的偏置状态矩阵。
步骤5，计算时关闭异常结段，采用索引算法计算偏置状态矩阵。
步骤6，输出偏置状态矩阵B1、B2。
所述步骤1是这样实现的：
初始化偏置状态矩阵，将两个偏置状态矩阵B1、B2分别置零，设置台阶数N＝20，矩阵维度分别为N×9与N×11；设置微波的频率以及信号1与信号2的幅值与相位。
所述偏置状态矩阵每个元素的取值范围是{-1,0,1}，在初始化时矩阵所有元素置零，所述N为离散台阶个数。
所述步骤2是这样实现的：
根据已知的正弦信号ysin1、ysin2分别从零点开始等间隔取N个点的电压值，并将这些电压值通过舍入和取整得到与之最接近的偶数值，这个偶数值即为所述的所需结阵数，对于两路信号第i个点的所需结阵数分别为n1(i)与n2(i)
所述步骤3是这样实现的：
检查所述SNS型约瑟夫森结阵是否发生捕获磁通现象，若出现，则进入步骤4，若未发生，则进入步骤5。
所述捕获磁通现象包括：①某一段或者几段结的正负台阶或者0台阶宽度变窄；②某一段或者几段结无正负台阶或者0台阶；③输出的某一量子电压台阶具有一定的斜率，量子电压台阶不稳定；
所述步骤4是这样实现的：
(41)判断偶数n1、n2的正负，分别存储在sign_1与sign_2中，所述sign_1与sign_2取值范围为{1-1}，并将n1、n2取绝对值；
(42)以n2为例，n1同理，判断n2能否被4整除，若能进入(43)，若不能进入(44)；
(43)N2为n2整除4得到，通过循环判断N2的绝对值是否大于1093得到需要加入几段分段数为8744的结阵分段，所述分段数为8744的结阵分段有第9段、第10段以及第11段。这样就能够确定所述第9到11段结的偏置状态。
(44)N2通过N2＝(n2-8742)/4得到，此时将第八段结的偏置状态设置为正偏，即B2(8)＝1，通过循环判断所述第9到11段结的偏置状态。
(45)确定第9到第11段结偏置状态后，确定前7段结的偏置状态，采用平衡三进制计算，令A＝N2，循环七次，Rem为A与3的余数，判断余数绝对值是否等于2。若等于2，则A＝(A-Rem)/3+sign(Rem)，B(i)＝-sign(Rem)；否则A＝(A-Rem)/3，B(i)＝Rem。所述N2是经过之前确定9至11段结运算后的N2，所述Rem为A与3的余数，所述sign(Rem)为Rem的正负性，取值是1或-1，所述B(i)为第i段结的偏置状态。
所述步骤5是这样实现的：
(51)分别将两个结阵的所有情况遍历，分别有177147(3^11)和19683(3^9)种情况。以177147为例，将177146对应的十进制数转换成三进制的序列后，序列每一个元素减一存储至B1_all，将B1_all的每一行点乘JJS_1得到所有情况的偏置结总数B1M，将结果B1M与B1_all存储至索引矩阵search_1中。
所述B1_all为[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1]到[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]的所有向量组成的偏置矩阵情况，B1M为组合偏置结总数的所有情况矩阵，JJS_1为结段向量，JJS_1＝[2916 108 36 972 12 4 324 8742 8744 8744 8744]；
(52)分别输入所需的结阵数n1、n2，在索引矩阵中找到与所需结阵数差值最小的结阵数，并且找到对应的偏置矩阵。
所述步骤6是这样实现的：
将步骤4或步骤5运行的结果输出，输出两个偏置矩阵B1、B2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
根据SNS型约瑟夫森结阵分段数的特点，提出了平衡三进制算法，快速、有效地合成了控制约瑟夫森结阵输出量子电压的偏置矩阵；同时，提出了索引算法，在约瑟夫森结阵发生捕获磁通的现象时能够计算关闭异常结阵并输出量子电压偏置矩阵。为实现两路交流量子电压的输出提供了高效完备的驱动方法。
附图说明
图1为平衡三进制算法框图
图2为索引算法框图
图3为驱动方法总框图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
利用所述基于SNS型约瑟夫森结阵的驱动方法，包括：
(1)初始化和设置参数：设置微波频率microwave_freq为17.8GHz；约瑟夫森常数Kj_90＝483597.9；台阶数N＝20；信号1与信号2的幅值分别为Amp_1＝1V和Amp_2＝0.5V、相位分别为phase_sin_1＝0°和phase_sin_2＝60°。
(2)离散正弦信号与计算所需结阵数：以信号1为例，离散成二十个点，即：j＝1:1:N；ysin1＝Amp_1*sin((j-1)*2*π/N+phase_sin_1/360*2*π)；
计算所需结的个数：n1＝round(ysin1*Kj_90/microwave_freq)；即可计算20个点分别所需的结个数。
(3)判断是否发生捕获磁通现象:扫描结阵的I-V特性，观察超导量子台阶是否正常。
(4)采用平衡三进制计算：首先判断第九到第十一段结的偏置状态，再对前七段结采用平衡三进制计算。具体算法流程如图1所示。即包括如下步骤:
(41)判断偶数n1、n2的正负，分别存储在sign_1与sign_2中，所述sign_1与sign_2取值范围为{1-1}，并将n1、n2取绝对值；
(42)以n2为例，n1同理，判断n2能否被4整除，若能进入(43)，若不能进入(44)；
(43)N2为n2整除4得到，通过循环判断N2的绝对值是否大于1093得到需要加入几段分段数为8744的结阵分段，所述分段数为8744的结阵分段有第9段、第10段以及第11段。这样就能够确定所述第9到11段结的偏置状态。
(44)N2通过N2＝(n2-8742)/4得到，此时将第八段结的偏置状态设置为正偏，即B2(8)＝1,通过循环判断所述第9到11段结的偏置状态。
(45)确定第9到第11段结偏置状态后，确定前7段结的偏置状态，采用平衡三进制计算，令A＝N2，循环七次，Rem为A与3的余数，判断余数绝对值是否等于2。若等于2，则A＝(A-Rem)/3+sign(Rem),B(i)＝-sign(Rem)；否则A＝(A-Rem)/3，B(i)＝Rem。所述N2是经过之前确定9至11段结运算后的N2，所述Rem为A与3的余数，所述sign(Rem)为Rem的正负性，取值是1或-1，所述B(i)为第i段结的偏置状态。
(5)采用索引算法计算：分别将电压和电流的所有情况的偏置矩阵穷举出来，电压结阵与电流矩阵分别有177147与19683种偏置矩阵。以电压结阵为例，将0到177146中所有的数从十进制转换成三进制并且将矩阵每个元素减1，能得到从[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1]到[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]所有的偏置矩阵，构成索引矩阵search_1,当输入所需要的结阵数后，通过在索引矩阵中寻找最佳偏置状态找到偏置矩阵。具体算法流程如图2所，即包括如下步骤：
(51)分别将两个结阵的所有情况遍历，分别有177147(3^11)和19683(3^9)种情况。以177147为例，将177146对应的十进制数转换成三进制的序列后，序列每一个元素减一存储至B1_all，将B1_all的每一行点乘JJS_1得到所有情况的偏置结总数B1M，将结果B1M与B1_all存储至索引矩阵search_1中；
所述B1_all为[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1]到[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]的所有向量组成的偏置矩阵情况，B1M为组合偏置结总数的所有情况矩阵，JJS_1为结段向量，JJS_1＝[2916 108 36 972 12 4 324 8742 8744 8744 8744]；
(52)分别输入所需的结阵数n1、n2，在索引矩阵中找到与所需结阵数差值最小的结阵数，并且找到对应的偏置矩阵。
(6)输出偏置状态矩阵：分别调用两个算法的matlab的m文件，输出偏置状态矩阵。离散二十个点的用平衡三进制和索引算法输出的偏置状态矩阵如表1、表2所示。所述表中数据-1、0、1分别表示第i段结阵在第j个离散点处的偏置状态。
表1平衡三进制输出偏置状态矩阵
Figure BDA0002212436820000061
Figure BDA0002212436820000071
表2索引算法输出偏置状态矩阵
Figure BDA0002212436820000072
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，包括：
步骤1，初始化偏置状态矩阵B1、B2及初始化两路正弦波信号，两路正弦波信号分别为信号1和信号2；设置台阶数N、微波频率与信号参数，
步骤2，采用N个台阶数对两路正弦波信号进行离散，将每个离散点的电压值转换成所需结阵数输入至向量n1(i)、n2(i)；
步骤3，判断是否发生捕获磁通现象，若未发生捕获磁通现象则进入步骤4，否则，进入步骤5；
步骤4，采用平衡三进制算法计算量子电压序列对应的偏置状态矩阵；
步骤5，计算时关闭异常结段，采用索引算法计算偏置状态矩阵；
步骤6，输出偏置状态矩阵B1、B2。
2.根据权利要求1所述的一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，其中所述步骤1是这样实现的：
初始化偏置状态矩阵，将两个偏置状态矩阵B1、B2分别置零，矩阵维度分别为N×9与N×11，设置微波的频率以及信号1与信号2的幅值与相位；所述偏置状态矩阵每个元素的取值范围是{-1,0,1}，在初始化时矩阵所有元素置零，所述N为离散点数。
3.根据权利要求1所述的一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，其中所述步骤2是这样实现的：
根据已知的正弦信号ysin1、ysin2分别从零点开始等间隔取N个点的电压值，并将这些电压值通过舍入和取整得到与之最接近的偶数值，这个偶数值即为所述的所需结阵数，对于两路信号第i个点的所需结阵数分别为n1(i)与n2(i)。
4.根据权利要求1所述的一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，其中所述步骤3是这样实现的：
检查瑟夫森结阵是否发生捕获磁通现象，若出现，则进入步骤4，若未发生，则进入步骤5；
所述捕获磁通现象包括：①某一段或者几段结的正负台阶或者0台阶宽度变窄；②某一段或者几段结无正负台阶或者0台阶；③输出的某一量子电压台阶具有一定的斜率，量子电压台阶不稳定。
5.根据权利要求4所述的一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，所述步骤4是这样实现的：
(41)判断偶数n1、n2的正负，分别存储在sign_1与sign_2中，所述sign_1与sign_2取值范围为{1-1}，并将n1、n2取绝对值；
(42)以n2为例，n1同理，判断n2能否被4整除，若能进入(43)，若不能进入(44)；
(43)N2为n2整除4得到，通过循环判断N2的绝对值是否大于1093得到需要加入几段分段数为8744的结阵分段，所述分段数为8744的结阵分段有第9段、第10段以及第11段，这样就能够确定所述第9到11段结阵的偏置状态；
(44)N2通过N2＝(n2-8742)/4得到，此时将第八段结的偏置状态设置为正偏，即B2(8)＝1,通过循环判断所述第9到11段结的偏置状态；
(45)确定第9到第11段结偏置状态后，确定前7段结的偏置状态，采用平衡三进制计算，令A＝N2，循环七次，Rem为A与3的余数，判断余数绝对值是否等于2；若等于2，则A＝(A-Rem)/3+sign(Rem)，B(i)＝-sign(Rem)；否则A＝(A-Rem)/3，B(i)＝Rem，所述N2是经过之前确定9至11段结运算后的N2，所述Rem为A与3的余数，所述sign(Rem)为Rem的正负性，取值是1或-1，所述B(i)为第i段结的偏置状态。
6.根据权利要求4所述的一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，所述步骤5是这样实现的：
(51)分别将两个结阵的所有情况遍历，分别有177147(3^11)和19683(3^9)种情况，以177147为例，将177146对应的十进制数转换成三进制的序列后，序列每一个元素减一存储至B1_all，将B1_all的每一行点乘JJS_1得到所有情况的偏置结总数B1M，将结果B1M与B1_all存储至搜索矩阵search_1中；
所述B1_all为[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1]到[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]的所有向量组成的偏置矩阵情况，B1M为组合偏置结总数的所有情况矩阵，JJS_1为结段向量，JJS_1＝[2916 108 36 972 12 4 324 8742 8744 8744 8744]；
(52)分别输入所需的结阵数n1、n2，在搜索矩阵中找到与所需结阵数差值最小的结阵数，并且找到对应的偏置矩阵。
7.根据权利要求4所述的一种平衡三进制与索引算法相结合的约瑟夫森结阵驱动方法，所述步骤6是这样实现的：
将步骤4或步骤5运行的结果输出，输出两个偏置矩阵B1、B2。
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